Forskere designer hurtigt, reversible bio-inspirerede katalysatorer

For at vind- og solkraft kan blive grundpillerne i vedvarende energi, den energi, de producerer med mellemrum, skal lagres og hentes effektivt. Og det kræver lagring af solenergi i kemiske bindinger, indtil energien er nødvendig. For at være energieffektiv, og dermed omkostningseffektive, der er et stort behov for reversible katalysatorer, kemiske midler, der hurtigt danner og bryder kemiske bindinger i begge retninger.

Nu, ved hjælp af et bioinspireret design, der efterligner naturens katalysatorer-enzymer, forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har designet en sjældent set reversibel syntetisk katalysator. Deres forskning, et samarbejde mellem PNNL postdoktor kemiker Arnab Dutta og personale kemikere Wendy Shaw og Aaron Appel, blev gennemgået i en Naturanmeldelser Kemi artikel med titlen, "Design af elektrokemisk reversibel H ₂ oxidation og produktionskatalysatorer. "Artiklen beskriver tre generationer af katalysatorer, der opnåede reversibel katalyse, et kendetegn for effektiv enzymatisk adfærd. Det gennemgår ikke kun deres forskning, men også fremskridt med hensyn til designfunktioner, der er nødvendige for at udvikle reversible katalysatorer til hydrogenoxidation og produktion ved hjælp af naturlige metalloenzymer som modeller.

"At udvikle reversible og hurtige katalysatorer betragtes som den" hellige gral "i katalyseforskning, "sagde Dutta, nu adjunkt ved Indian Institute for Technology, Gandhinagar. "Det giver det mest effektive værktøj til interkonvertering af kemiske arter med næsten nul energispild."

Med deres reversibilitet og deres yderst effektive og indviklede strukturer, enzymer giver en attraktiv model for syntetiske katalysatorer. Undersøgelsen beskriver designet af energieffektive elektrokatalysatorer, der medierer frem- og tilbagebetalingsreaktioner ved høje hastigheder med minimalt energitab. Specifikt, de udviklede en række molekylære nikkelkatalysatorer og fandt ved korrekt at placere enzyminspirerede aminosyrer de kunne opretholde hurtige hastigheder for oxidation af brint.

Den kritiske indsigt involverede at designe den aktive stedstruktur inde i et indviklet forbundet protein-inspireret stillads.

"Det strukturerede proteinstillads er afgørende for den fantastiske effektivitet af enzymatisk aktivitet, da det orkestrerer de termodynamiske og kinetiske aspekter-energibehov og hastighed-i den katalytiske cyklus, sagde Dutta.

Det nye design afviger fra typisk katalysatordesign, som ofte fokuserer på metalkernen og det umiddelbare miljø omkring metallet, med lidt opmærksomhed på regioner ud over det aktive websted. At udvikle meget aktive og effektive syntetiske katalysatorer ved hjælp af ikke-ædle metalkomplekser, den udvidede struktur skal bruges og omhyggeligt designet, ifølge forskerholdet.

Forskerteamet arbejder nu på at udvide disse resultater, som blev opnået i løsning, til de tørre brændselscellebetingelser, der er nødvendige for industriel anvendelse. De arbejder sammen med samarbejdspartnere om en prototype biobrændselscelle, der ville inkorporere de opnåede resultater i denne forskning.